TWI739524B - 水處理裝置及水處理方法 - Google Patents

水處理裝置及水處理方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI739524B
TWI739524B TW109124712A TW109124712A TWI739524B TW I739524 B TWI739524 B TW I739524B TW 109124712 A TW109124712 A TW 109124712A TW 109124712 A TW109124712 A TW 109124712A TW I739524 B TWI739524 B TW I739524B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
ion
unit
water treatment
water
selective adsorption
Prior art date
Application number
TW109124712A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202204268A (zh
Inventor
鄭茲瑀
鐘琍菁
劉柏逸
邵信
黃盟舜
洪仁陽
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW109124712A priority Critical patent/TWI739524B/zh
Priority to CN202010856058.1A priority patent/CN113968603A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI739524B publication Critical patent/TWI739524B/zh
Publication of TW202204268A publication Critical patent/TW202204268A/zh

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2301/00—General aspects of water treatment
    • C02F2301/08—Multistage treatments, e.g. repetition of the same process step under different conditions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)

Abstract

本揭露提供一種水處理裝置，包括：一水處理模組，其包括：一工作槽；一第一離子回收單元，位於所述工作槽中且包括至少一第一選擇性吸附電極及與所述第一選擇性吸附電極相對設置的至少一非選擇性吸附電極；以及一脫鹽單元，位於所述工作槽中，其一端與所述第一離子回收單元連接且包括至少一對相對設置的非選擇性吸附電極。所述水處理裝置更包括：一第一進水管路、一第一回收管路、一出水管路、一廢液管路、複數個控制閥以及複數個電源供應器。

Description

水處理裝置及水處理方法
本揭露是關於一種水處理裝置，且特別是關於可同步進行目標離子回收與脫鹽程序的水處理裝置，以及使用所述水處理裝置的水處理方法。
隨著全球水資源的使用量與日劇增，尋求新興水源以增進供水為各國關注的議題，而水的回收再利用為水資源永續發展的手段之一。一般而言，在廢水處理及水回收再利用的過程中，水中的鹽類及有害離子的濃度為常見的檢測指標，降低或去除水中的鹽類或離子可提升水質及其可使用的範圍。
目前常用的脫鹽技術包含逆滲透(reverse osmosis，RO)及電透析(electrodialysis，ED)等，但其具有高耗能、高成本及薄膜阻塞等問題。此外，針對離子的分離及回收，現有技術包含化學沉澱法及吸附法等。其中，化學沉澱法是於廢水中添加多種陰、陽離子或化學藥劑使金屬或離子沉澱，其去除金屬或離子的速度快，但由於添加沉澱劑與混凝劑易產生大量汙泥，因而衍生二次汙泥處理及廢液處理費用增加等問題。另一方面，吸附法則是藉由吸附劑表面吸附或沉澱以及離子交換機制去除或回收特定離子，一般透過不同吸附劑的選用或於吸附劑上改質不同的官能基，來達成特定離子的高選擇性，常見的吸附劑包含有機吸附劑(例如，活性碳、樹脂吸附劑及纖維素等)及無機吸附劑(例如，活性氧化鋁、矽藻土及矽膠等)。吸附法的程序較為簡易，但容易有吸附劑再生、分離困難及高成本等問題。
因此，開發一可同步脫鹽與回收有價物質的技術，以有效簡化水處理及水回收再利用的程序與效率，仍為相關領域所關注的課題。
根據本揭露一些實施例，提供一種水處理裝置，包括：一水處理模組，其包括：一工作槽；一第一離子回收單元，位於所述工作槽中，且所述第一離子回收單元包括至少一第一選擇性吸附電極及與所述第一選擇性吸附電極相對設置的至少一非選擇性吸附電極；以及一脫鹽單元，位於所述工作槽中，其一端與所述第一離子回收單元連接，且所述脫鹽單元包括至少一對相對設置的非選擇性吸附電極。所述水處理裝置更包括：一第一進水管路及一第一回收管路，與所述第一離子回收單元連接；一出水管路及一廢液管路，與所述脫鹽單元連接；複數個控制閥，分別設置於所述第一進水管路、所述第一回收管路、所述出水管路及所述廢液管路中；以及複數個電源供應器，分別與所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元耦接。
根據本揭露一些實施例，提供一種水處理方法，包括以下步驟：(a)提供前述之水處理裝置；(b)藉由所述電源供應器分別施加一電壓於所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元，並開啟位於所述第一進水管路及所述出水管路中的控制閥，使一原水流入所述工作槽，以於所述第一離子回收單元中進行一第一離子的回收以及於所述脫鹽單元中進行脫鹽；(c)關閉所述出水管路中的控制閥，並開啟所述第一回收管路中的控制閥；以及(d)於所述第一進水管路通入一第一脫附液，並藉由所述電源供應器施加一反向電壓於所述第一離子回收單元，使吸附於所述第一選擇性吸附電極上的所述第一離子脫附，並藉由所述第一回收管路回收所述第一離子。
根據本揭露一些實施例，提供另一種水處理裝置，除上述水處理裝置所包括之模組、管路、控制閥、電源供應器等相關設置外，更包括：一第二離子回收單元以及與所述第二離子回收單元連接的一第二回收管路，且所述第二離子回收單元位於所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元之間。其中所述第二離子回收單元包括至少一第二選擇性吸附電極及與所述第二選擇性吸附電極相對設置的至少一非選擇性吸附電極，而所述第一選擇性吸附電極與所述第二選擇性吸附電極具有不同的離子專一性。
根據本揭露一些實施例，提供一種水處理方法，包括以下步驟：(a)提供前述之包括第二離子回收單元與第二回收管路的水處理裝置；(b)藉由所述電源供應器分別施加一電壓於所述第一離子回收單元、所述第二離子回收單元及所述脫鹽單元，並開啟位於所述第一進水管路及所述出水管路中的控制閥，使一原水流入所述工作槽，以分別於所述第一離子回收單元及所述第二離子回收單元中進行一第一離子及一第二離子的回收，以及於所述脫鹽單元中進行脫鹽；(c)關閉所述第一進水管路的主管及所述出水管路中的控制閥，並開啟第一所述進水管路的支管、所述第一回收管路及所述第二回收管路中的控制閥；以及(d)於所述第一進水管路的支管通入一第一脫附液，並藉由所述電源供應器施加一反向電壓於所述第一離子回收單元及第二離子回收單元，使吸附於所述第一選擇性吸附電極及所述第二選擇性吸附電極上的所述第一離子及所述第二離子脫附，並藉由所述第一回收管路及所述第二回收管路回收所述第一離子及所述第二離子。
為讓本揭露之特徵、或優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下針對本揭露實施例的水處理裝置以及使用所述水處理裝置進行的水處理方法作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本揭露一些實施例之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單清楚描述本揭露一些實施例。當然，這些僅用以舉例而非本揭露之限定。此外，在不同實施例中可能使用類似及/或對應的標號標示類似及/或對應的元件，以清楚描述本揭露。然而，這些類似及/或對應的標號的使用僅為了簡單清楚地敘述本揭露一些實施例，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。
應理解的是，圖式之元件或裝置可以所屬技術領域具有通常知識者所熟知的各種形式存在。此外，實施例中可能使用相對性用語，例如「較低」或「底部」或「較高」或「頂部」，以描述圖式的一個元件對於另一元件的相對關係。可理解的是，如果將圖式的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在「較低」側的元件將會成為在「較高」側的元件。
應理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來敘述各種元件、組件、區域、層或部分，這些元件、組件、區域、層或部分不應被這些用語限定。這些用語僅是用來區別不同的元件、組件、區域、層或部分。因此，以下討論的一第一元件、組件、區域、層或部分可在不偏離本揭露之教示的情況下被稱為一第二元件、組件、區域、層或部分。
本揭露實施例可配合圖式一併理解，本揭露之圖式亦被視為揭露說明之一部分。應理解的是，本揭露之圖式並未按照比例繪製，事實上，可能任意的放大或縮小元件的尺寸以便清楚表現出本揭露的特徵，而在說明書及圖式中，同樣或類似的元件將以類似的符號表示。
此外，在本揭露一些實施例中，關於接合、連接之用語例如「連接」、「互連」等，除非特別定義，否則可指兩個結構係直接接觸，亦可指兩個結構並非直接接觸，而可有其它結構設於此兩個結構之間。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包含技術及科學用語)具有與本揭露所屬技術領域的技術人員通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語例如在通常使用的字典中定義用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例有特別定義。
本揭露實施例提供一種可同步進行目標離子回收及脫鹽程序之水處理裝置，其於單一模組中結合離子回收單元及脫鹽單元，可於上游對水樣本中的特定離子進行回收，並於下游去除水樣本中的鹽類，可有效簡化水處理及水回收再利用的程序。根據本揭露一些實施例，所述水處理裝置可同時針對兩種以上之特定離子分別進行回收，進一步提升水處理及水回收再利用的效率。
請參照第1圖，其顯示根據本揭露一些實施例之水處理裝置10的結構示意圖。應理解的是，根據一些實施例，可添加額外特徵於水處理裝置10。根據一些實施例，以下所述的部分特徵可以被取代或刪除。此外，圖式中的直線型箭頭可理解為水處理裝置10於作動時的水體流向。請繼續參照第1圖，水處理裝置10包含水處理模組100。水處理模組100可包含工作槽102，以及位於工作槽102中的第一離子回收單元104及脫鹽單元106。在一些實施例中，第一離子回收單元104及脫鹽單元106彼此相鄰，脫鹽單元106的一端與第一離子回收單元104連接。在一些實施例中，第一離子回收單元104與脫鹽單元106直接連接。第一離子回收單元104可針對特定的目標離子進行專一性回收，脫鹽單元106則是可非特定地回收有價離子，亦即，進行脫鹽。此外，第一離子回收單元104及脫鹽單元106位於工作槽102所提供的同一腔體中，第一離子回收單元104與脫鹽單元106之間並未具有間隔物，亦即，它們之間為相通的。
在一些實施例中，水處理模組100之整體導電度的範圍為20 μS/cm至2000 μS/cm，例如可為約50至1800 μS/cm、約100至1500 μS/cm、約200至1200 μS/cm、約300至1000 μS/cm等，但不限於此。此外，在一些實施例中，工作槽102之槽體材料可包含不銹鋼、壓克力或前述之組合。
在一些實施例中，第一離子回收單元104包含至少一第一選擇性吸附電極104a及與第一選擇性吸附電極104a相對設置的至少一非選擇性吸附電極104b。在一些實施例中，第一選擇性吸附電極104a作為工作電極，而非選擇性吸附電極104b作為對電極。第一離子回收單元104可具有複數對第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b。舉例而言，在一些實施例中，第一離子回收單元104可具有2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15對第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b。在一些實施例中，可根據待處理的水樣本的離子濃度或體積等，調整適當的電極數量。第一選擇性吸附電極104a與非選擇性吸附電極104b的尺寸可相同或不同。
如第1圖所示，第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b可具有相反的電性，例如，第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b可分別帶有正電及負電。此外，第一離子回收單元104的第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b之間具有流道104c。待處理的水樣本在流經流道104c時，第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b可分別吸附水樣本中與其帶有相反電性的離子。特別地，第一選擇性吸附電極104a可針對特定的目標離子進行專一性吸附。
在一些實施例中，於上述第一離子回收單元104中之第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b之間所設置的流道104c的寬度W 1的範圍可為約0.5 mm至約2 mm，例如可為約0.6 mm至1.8 mm、約0.75 mm至1.5 mm、約0.8 mm至1.6 mm、約0.5 mm至1 mm、約1 mm至1.5 mm、約1.5 mm至2 mm等，但不限於此。
在一些實施例中，第一選擇性吸附電極104a可為複合材料。在一些實施例中，所述複合材料可包含碳材載體以及擔載於碳材載體上的層狀雙氫氧化物(layered double hydroxides，LDHs)。在一些實施例中，所述層狀雙氫氧化物的重量可為複合材料的總重量之約25%至約65%、約30%至約60%或約35%至約55%，但不限於此。
在一些實施例中，所述碳材載體可包含碳黑(carbon black)、活性碳(active carbon)、奈米碳管(carbon nanotube，CNT)、石墨烯(graphene)、竹碳(bamboo charcoal)、乙炔黑(acetylene black)或前述之組合。在一些實施例中，第一選擇性吸附電極104a可專一性地吸附磷離子、砷離子、金離子、銦離子、銨離子、銅離子，但不限於此。在一些實施例中，上述專一性吸附可包含直接吸附該離子或吸附包含該離子的鹽離子。舉例來說，可直接吸附磷離子，或吸附包含有磷離子之磷酸鹽離子(HPO 4 2−或H 2PO 4 −)。
在一些實施例中，所述層狀雙氫氧化物可包含鎂錳層狀雙氫氧化物(Mg-Mn LDH)、鋅鋁層狀雙氫氧化物(Zn-Al LDH)或鎂鋁鋯層狀雙氫氧化物(Mg-Al-Zr LDH)。相關製備方式可參考文獻R.Chitrakar, S.Tezuka, A.Sonoda, K.Sakane, K.Ooi,T.Hirotsu, Adsorption of phosphate from seawater on calcined MgMn-layered double hydroxides, Journal of Colloid and Interface Science290(2005)45-5或文獻R.Chitrakar, S.Tezuka, A.Sonoda, K.Sakane, K.Ooi, T.Hirotsu, Synthesis and phosphate uptake behavior of Zr 4+incorporated MgAl-layered double hydroxides, Journal of Colloid and Interface Science,313(2007)53-63，於此不再贅述。
再者，在一些實施例中，非選擇性吸附電極104b可包含碳電極。且在一些實施例中，所述碳電極可包含碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯、竹碳、乙炔黑或前述之組合。
如第1圖所示，在一些實施例中，脫鹽單元106可包含至少一對相對設置的非選擇性吸附電極106a及106b。脫鹽單元106可具有複數對非選擇性吸附電極106a及106b。舉例而言，在一些實施例中，脫鹽單元106可具有2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15對非選擇性吸附電極106a及106b。又，在一些實施例中，可根據待處理的水樣本的離子(鹽類解離產生的離子)濃度或體積等，調整適當的電極數量。非選擇性吸附電極106a及106b的尺寸可相同或不同。此外，脫鹽單元106的非選擇性吸附電極106a及非選擇性吸附電極106b之間可具有流道106c。當待處理的水樣本流經流道106c時，非選擇性吸附電極106a及非選擇性吸附電極106b可分別吸附水樣本中與其帶有相反電性的離子。
在一些實施例中，於上述脫鹽單元106中之非選擇性吸附電極106a及非選擇性吸附電極106b之間所設置的流道106c的寬度W 2的範圍可為約0.5 mm至約2 mm，例如可為約0.6 mm至1.8 mm、約0.75 mm至1.5 mm、約0.8 mm至1.6 mm、約0.5 mm至1 mm、約1 mm至1.5 mm、約1.5 mm至2 mm等，但不限於此。第一離子回收單元104的流道104c的寬度W 1可與脫鹽單元106的流道106c的寬度W 2相同或不同。此外，在一些實施例中，第一離子回收單元104的流道104c與脫鹽單元106的流道106c相通。
再者，在一些實施例中，非選擇性吸附電極106a及106b的材料可包含碳電極。且在一些實施例中，所述碳電極可包含碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯、竹碳、乙炔黑或前述之組合。
接著，請繼續參照第1圖，水處理裝置10更包含進水管路202以及第一回收管路204，且進水管路202及第一回收管路204可與第一離子回收單元104連接。其中，進水管路202可用以將待處理的原水或是其它液體帶入工作槽102中，而第一回收管路204則可用以將經第一離子回收單元104處理後之水樣品帶離工作槽102。更詳細而言，進水管路202及第一回收管路204可分別與第一離子回收單元104的流道104c的入口(未繪示)及出口(未繪示)連接。
在一些實施例中，進水管路202可為進水歧管，進水歧管可包含主管202a及與主管202a相接的支管202b。在一些實施例中，主管202a可進一步與供水單元202U 1連接，支管202b可進一步與脫附液(desorption solution)供給單元202U 2連接。在一些實施例中，第一回收管路204可進一步與第一回收液儲存單元204U連接。
在一些實施例中，供水單元202U 1中可具有儲存原水或儲存其它液體的儲存槽。在一些實施例中，脫附液供給單元202U 2中可具有儲存脫附液或儲存其它液體的儲存槽。在一些實施例中，第一回收液儲存單元204U中可具有儲存經第一離子回收單元104處理後之回收液(例如，具有特定的目標離子的脫附液)的儲存槽。又，在一些實施例中，供水單元202U 1及脫附液供給單元202U 2可具有驅動馬達，用以將液體輸送至水處理模組100中。
此外，水處理裝置10可進一步包含出水管路206及廢液管路208，出水管路206及廢液管路208可與脫鹽單元106連接。出水管路206可用以將經第一離子回收單元104及/或脫鹽單元106處理後之出水或是其它液體帶離工作槽102。而廢液管路208可用以將第一離子回收單元104及脫鹽單元106所產生之廢液帶離工作槽102。出水管路206及廢液管路208可與脫鹽單元106的流道106c的出口(未繪示)連接。在一些實施例中，脫鹽單元106的流道106c的出口可具有歧管結構，以分別與出水管路206及廢液管路208連接。
在一些實施例中，出水管路206及廢液管路208可分別進一步與出水(effluent)儲存單元206U及廢液儲存單元208U連接。在一些實施例中，出水儲存單元206U及廢液儲存單元208U中可具有儲存出水、儲存廢液或儲存其它液體的儲存槽。
此外，水處理裝置10可進一步包含複數個控制閥SV1、SV2、SV3、SV4及SV5。在一些實施例中，控制閥SV1及控制閥SV2可分別設置於進水管路202的主管202a及支管202b中，控制閥SV3可設置於第一回收管路204中，控制閥SV4可設置於出水管路206中，而控制閥SV5可設置於廢液管路208中。
詳細而言，控制閥SV1可設置於供水單元202U 1與水處理模組100(第一離子回收單元104)之間，控制閥SV2可設置於脫附液供給單元202U 2與水處理模組100(第一離子回收單元104)之間，控制閥SV3可設置於第一離子回收單元104與第一回收液儲存單元204U之間，控制閥SV4可設置於脫鹽單元106與出水儲存單元206U之間，控制閥SV5則可設置於脫鹽單元106與廢液儲存單元208U之間。上述控制閥SV1、SV2、SV3、SV4及SV5可用以控制不同單元及管路之間的液體是否流通。
在一些實施例中，上述管路(包含進水管路202、回收管路204、出水管路206或廢液管路208等)的材料可包含金屬、非金屬或前述之組合。例如，所述金屬可包含不鏽鋼、銅、鋁或前述之組合。所述非金屬可包含矽膠、鐵氟龍、橡膠或塑膠(例如，聚氨酯(polyurethane，PU)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚氟乙烯(polyvinyl chloride，PVC)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate，PMMA)或前述之組合。
此外，如第1圖所示，水處理裝置10可進一步包含複數個電源供應器(210-1、210-2)，其中電源供應器210-1可與第一離子回收單元104耦接，而電源供應器210-2可與脫鹽單元106耦接。在一些實施例中，電源供應器210-1及電源供應器210-2可各別控制第一離子回收單元104及脫鹽單元106中離子的吸附或脫附。詳細而言，電源供應器210-1及電源供應器210-2可個別地施加電壓於第一離子回收單元104的第一選擇性吸附電極104a與非選擇性吸附電極104b，以及脫鹽單元106的非選擇性吸附電極106b，以控制各個電極的電性，進而控制離子之吸附與否。在一些實施例中，電源供應器210-1及電源供應器210-2施加於第一離子回收單元104及脫鹽單元106的電壓可相同。在一些實施例中，電源供應器210-1及電源供應器210-2施加於第一離子回收單元104及脫鹽單元106的電壓可不同。
接著，請繼續參照第1圖，並請同時參照第2A~2C圖，其顯示根據本揭露一些實施例之水處理裝置10於不同的操作階段的局部示意圖。根據一些實施例，水處理方法包含藉由上述水處理裝置10同步進行水的有價物質(目標離子)的回收及脫鹽，所述方法包含步驟(a)提供水處理裝置10，以及步驟(b)藉由電源供應器210-1及電源供應器210-2分別施加電壓於第一離子回收單元104及脫鹽單元106，並開啟位於進水管路202中的控制閥SV1及出水管路206中的控制閥SV4，使原水302(如第2A圖所示)流入工作槽102，以於第一離子回收單元104中進行第一離子A -的回收，並於脫鹽單元106中進行脫鹽。
詳細而言，於步驟(b)中，可藉由開啟位於主管202a中的控制閥SV1及出水管路206中的控制閥SV4，使原水302從供水單元202U 1流經第一離子回收單元104及脫鹽單元106，再流至出水儲存單元206U。在一些實施例中，施加於第一離子回收單元104及脫鹽單元106的電壓的範圍各可為約0.3 V至約2.0 V、約0.5 V至約1.8 V或約0.8 V至約1.5 V，但不限於此。又，在一些實施例中，原水於第一離子回收單元104或脫鹽單元106中的流量的範圍為約20 mL/min至約200 mL/min、約50 mL/min至約150 mL/min或約60 mL/min至約120 mL/min。
如第2A圖所示，於此階段中，原水302依序流經第一離子回收單元104及脫鹽單元106。具體而言，原水302在流經第一離子回收單元104的流道104c時，第一選擇性吸附電極104a可專一性地吸附原水302中的第一離子A -，而未吸附其它離子如離子a +、離子B -及離子C -等。另一方面，非選擇性吸附電極104b則可吸附帶有與其電性相反的大部分離子，例如，帶負電的非選擇性吸附電極104b可吸附離子a +。而當原水302流經脫鹽單元106的流道106c時，非選擇性吸附電極106a及非選擇性吸附電極106b分別可吸附帶有與其電性相反的大部分離子。例如，帶正電的非選擇性吸附電極106a可吸附離子B -及離子C -，而帶負電的非選擇性吸附電極106b可吸附離子a +，亦即，可去除原水302中的離子，藉此得到離子濃度約1 mg/L至約100 mg/L之低離子濃度的水，更佳可取得離子濃度約1 mg/L至約10 mg/L之低離子濃度的水。在一些實施例中，待處理的原水302的離子濃度的範圍可為約10 mg/L至約1000 mg/L或約100 mg/L至約800 mg/L。
此外，水處理方法更包含步驟(c)關閉出水管路206中的控制閥SV4，並開啟第一回收管路204中的控制閥SV3，以及步驟(d)於進水管路202通入脫附液304(如第2B圖所示)，並藉由電源供應器210-1施加反向電壓於第一離子回收單元104，使吸附於第一選擇性吸附電極104a上的第一離子A -脫附，並藉由第一回收管路204回收第一離子A -。在一些實施例中，可將與第一選擇性吸附電極104a及非選擇性吸附電極104b連接之正負電極互換，以提供反向電壓。在一些實施例中，脫附液304可包含氯化鈉 (sodium chloride，NaCl)、氫氧化鈉 (Sodium hydroxide，NaOH)、氯化氫 (Hydrochloric acid，HCl)或前述之組合。
詳細而言，於步驟(c)及步驟(d)中，可藉由關閉主管202a中的控制閥SV1及出水管路206中的控制閥SV4，並開啟支管202b中的控制閥SV2及第一回收管路204中的控制閥SV3，使脫附液304經由支管202b從脫附液供給單元202U 2，流經第一離子回收單元104至第一回收液儲存單元204U。亦即，將包含經脱附第一離子A -的脫附液304(回收液)輸送至第一回收液儲存單元204U中。在一些實施例中，所回收的第一離子A -可包含磷離子、砷離子、金離子、銦離子、銨離子或銅離子，但不限於此。在一些實施例中，第一離子A -可包含磷酸鹽離子，如HPO 4 2−或H 2PO 4 −。此外，在一些實施例中，施加於第一離子回收單元104的反向電壓的範圍可為約0.3 V至約2.0 V、約0.5 V至約1.8 V或約0.8 V至約1.5 V，但不限於此。
如第2B圖所示，於此階段中，脫附液304流經第一離子回收單元104，可將已從第一選擇性吸附電極104a脫附的第一離子A -以及從非選擇性吸附電極104b脫附的離子a +一起輸送至第一回收液儲存單元204U。在一些實施例中，包含第一離子A -(即，特定的目標離子)及離子a +的脫附液304為回收液。
在一些實施例中，水處理方法更包含步驟(e)關閉進水管路202的支管202b中的控制閥SV2及第一回收管路204中的控制閥SV3，並開啟進水管路202的主管202a中的控制閥SV1及廢液管路208中的控制閥SV5，以及步驟(f)於進水管路202的主管202a通入原水306(如第2C圖所示)，且關閉電源供應器210-1及電源供應器210-2施加於第一離子回收單元104及脫鹽單元106的電壓，使第一選擇性吸附電極104a、非選擇性吸附電極104b、106a及106b上的剩餘離子(例如，離子a +、離子B -及離子C -等)脫附，並藉由廢液管路208收集經脫附的剩餘離子。
詳細而言，於步驟(e)及步驟(f)中，可藉由開啟主管202a中的控制閥SV1及廢液管路208中的控制閥SV5，使原水306從供水單元202U 1流經第一離子回收單元104及脫鹽單元106至廢液儲存單元208U。在一些實施例中，主要包含離子a +、離子B -及離子C -的原水306為廢液。
如第2C圖所示，於此階段中，原水306依序流經第一離子回收單元104及脫鹽單元106。由於電源供應器210-1及電源供應器210-2已關閉施加於第一離子回收單元104及脫鹽單元106的電壓，原先吸附在第一選擇性吸附電極104a、非選擇性吸附電極104b、106a及106b上的剩餘離子a +、離子B -及離子C -會脫離電極表面，當原水306流經流道104c及流道106c時，剩餘離子a +、離子B -及離子C -將一起被輸送至廢液儲存單元208U。
接著，請參照第3圖，其顯示根據本揭露另一些實施例之水處理裝置20的結構示意圖。應理解的是，後文中與前文相同或相似的組件或元件將以相同或相似之標號表示，而因其材料、製造方法與功能與前文所述相同或相似，故此部分在後文中將不再贅述。第3圖所示之實施例的水處理裝置20與第1圖所示之水處理裝置10大致類似，其差異在於，水處理裝置20更進一步包含第二離子回收單元104’以及與第二離子回收單元104’連接的第二回收管路204’。
詳細而言，第二離子回收單元104’位於第一離子回收單元104及脫鹽單元106之間，與第一離子回收單元104及脫鹽單元106連接。第二離子回收單元104’亦可針對特定的目標離子進行專一性回收。在一些實施例中，第一離子回收單元104與第二離子回收單元104’可針對不同的目標離子進行專一性回收。第一離子回收單元104、第二離子回收單元104’及脫鹽單元106均位於工作槽102所提供的同一腔體中，它們之間並未具有間隔物，亦即，它們之間為相通的。
在一些實施例中，第二離子回收單元104’包含至少一第二選擇性吸附電極104a’及與第二選擇性吸附電極104a’相對設置的至少一非選擇性吸附電極104b’。在一些實施例中，第二選擇性吸附電極104a’作為工作電極，而非選擇性吸附電極104b’作為對電極。第二離子回收單元104’可具有複數對第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b’。舉例而言，在一些實施例中，第二離子回收單元104’可具有2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15對第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b’。在一些實施例中，可根據待處理原水的離子濃度或體積等，調整適當的電極數量。
如第3圖所示，第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b’可具有相反的電性，例如，第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b’可分別帶有正電及負電。此外，第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b’之間具有流道104c’。待處理的水樣本在流經流道104c’時，第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b’可分別吸附水樣本中與其帶有相反電性的離子。特別地，第二選擇性吸附電極104a’可針對特定的目標離子進行專一性吸附。在一些實施例中，第一選擇性吸附電極104a與第二選擇性吸附電極104a’可具有不同的離子專一性。因此，水處理裝置20可同步針對不同的目標離子進行回收並進行脫鹽。
在一些實施例中，第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b’所定義的流道104c’的寬度W 3的範圍可為約0.5 mm至約2 mm，例如可為約0.6 mm至1.8 mm、約0.75 mm至1.5 mm、約0.8 mm至1.6 mm、約0.5 mm至1 mm、約1 mm至1.5 mm、約1.5 mm至2 mm等，但不限於此。在一些實施例中，第二選擇性吸附電極104a’的材料與前述第一選擇性吸附電極104a的材料相異，例如，第二選擇性吸附電極104a’可專一性地直接吸附磷離子、砷離子、金離子、銦離子、銨離子或銅離子，或吸附包含上述離子的鹽離子，但所吸附的離子種類與第一選擇性吸附電極所吸附的離子種類相異。舉例來說，在一些實施例中，當第一選擇性吸附電極104a所吸附的離子為磷離子時，第二選擇性吸附電極104a’所吸附的離子即為磷離子以外的離子，例如是砷離子、金離子、銦離子、銨離子或銅離子。
此外，應理解的是，雖然第3圖所示之實施例具有兩個離子回收單元(即，第一離子回收單元104及第二離子回收單元104’)，但在其它實施例中，可根據實際需求設置適當數量的離子回收單元。
接著，請繼續參照第3圖，並請同時參照第4A~4C圖，其顯示根據本揭露一些實施例之水處理裝置20於不同的操作階段的局部示意圖。根據一些實施例，水處理方法包含藉由前述水處理裝置20同步進行水的多種目標離子的回收及脫鹽，其作動流程大致上與水處理裝置10相似，但進一步包含操作及控制第二離子回收單元104’的步驟。具體而言，於此實施例中，水處理方法包含步驟(a)提供水處理裝置20，以及步驟(b)藉由電源供應器210-1及電源供應器210-2分別施加電壓於第一離子回收單元104及脫鹽單元106，且另以電源供應器210-3施加電壓於第二離子回收單元104’，並開啟位於進水管路202的主管202a中的控制閥SV1及出水管路206中的控制閥SV4，使原水302(如第4A圖所示)流入工作槽102，以分別於第一離子回收單元104及第二離子回收單元104’中進行第一離子A -及第二離子B -的回收，並於脫鹽單元106中進行脫鹽。
詳細而言，於步驟(b)中，使原水302從供水單元202U 1流經第一離子回收單元104、第二離子回收單元104’及脫鹽單元106，再流至出水儲存單元206U。在一些實施例中，施加於第一離子回收單元104、第二離子回收單元104’及脫鹽單元106的電壓的範圍各可為約0.3 V至約2.0 V、約0.5 V至約1.8 V或約0.8 V至約1.5 V，但不限於此。
如第4A圖所示，於此階段中，原水302依序流經第一離子回收單元104、第二離子回收單元104’及脫鹽單元106。具體而言，原水302在流經流道104c及流道104c’時，第一選擇性吸附電極104a及第二選擇性吸附電極104a’分別可專一性地吸附原水302中的第一離子A -及第二離子B -，而未吸附其它離子如離子a +及離子C -等。另一方面，非選擇性吸附電極104b則可吸附帶有與其電性相反的大部分離子，例如，帶負電的非選擇性吸附電極104b可吸附離子a +。而當原水302流經脫鹽單元106的流道106c時，非選擇性吸附電極106a及非選擇性吸附電極106b分別可吸附帶有與其電性相反的大部分離子。例如，帶正電的非選擇性吸附電極106a可吸附離子C -，而非選擇性吸附電極106b可吸附離子a +，亦即，可去除原水302中的鹽類，得到離子濃度約1 mg/L至約100 mg/L而鹽濃度約1 mg/L至約100 mg/L之低離子濃度及低鹽濃度的水，更佳可取得離子濃度約1 mg/L至約10 mg/L而鹽濃度約1 mg/L至約10 mg/L之低離子濃度及低鹽濃度的水。在一些實施例中，待處理的原水302的離子濃度的範圍可為約10 mg/L至約1000 mg/L或約100 mg/L至約800 mg/L。
此外，水處理方法更包含步驟(c)關閉進水管路202的主管202a中的控制閥SV1及出水管路206中的控制閥SV4，並開啟進水管路202的支管202b中的控制閥SV2、進水管路202’中的控制閥SV2’、第一回收管路204中的控制閥SV3及第二回收管路204’中的控制閥SV3’，以及步驟(d)分別於與脫附液供給單元202U 2連接的支管202b以及與脫附液供給單元202U 2’連接的進水管路202’通入脫附液304、304’(如第4B圖所示)。
詳細而言，在一些實施例中，可同時施加反向電壓於第一離子回收單元104及第二離子回收單元104’，使吸附於第一選擇性吸附電極104a及第二選擇性吸附電極104a’上的第一離子A -及第二離子B -可同時脫附。例如，一方面可藉由電源供應器210-1施加反向電壓於第一離子回收單元104，使吸附於第一選擇性吸附電極104a上的第一離子A -脫附，並藉由第一回收管路204回收第一離子A -，另一方面，可藉由電源供應器210-3施加反向電壓於第二離子回收單元104’，使吸附於第二選擇性吸附電極104a’上的第二離子B -脫附，並藉由第二回收管路204’回收第二離子B -。換言之，第一離子回收單元104與第二離子回收單元104’可具有分開的脫附液進水管路以及電源供應器(電源供應器210-1及電源供應器210-3)，第一離子回收單元104與第二離子回收單元104’可使用不同的脫附液以及脫附電壓。
在另一些實施例中，可先後施加反向電壓於第一離子回收單元104及第二離子回收單元104’，使吸附於第一選擇性吸附電極104a及第二選擇性吸附電極104a’上的第一離子A -及第二離子B -依序脫附。例如，可先施加反向電壓於第一離子回收單元104，使第一離子A -脫附以進行回收，接著，再施加反向電壓於第二離子回收單元104’，使第二離子B -脫附以進行回收。在一些實施例中，所回收的第一離子A -及第二離子B -各自可包含磷離子、砷離子、金離子、銦離子、銨離子、銅離子，但不限於此。此外，在一些實施例中，施加於第一離子回收單元104及第二離子回收單元104’的反向電壓的範圍各可為約0.3 V至約2.0 V、約0.5 V至約1.8 V或約0.8 V至約1.5 V。
再者，如第4B圖所示，於此階段中，脫附液304流經第一離子回收單元104，可將已從第一選擇性吸附電極104a脫附的第一離子A -以及從非選擇性吸附電極104b脫附的離子a +一起輸送至第一回收液儲存單元204U。另一方面，脫附液304’流經第二離子回收單元104’，可將已從第二選擇性吸附電極104a’脫附的第二離子B -以及從非選擇性吸附電極104b’脫附的離子a +一起輸送至第二回收液儲存單元204U’。
在一些實施例中，水處理方法更包含步驟(e)關閉進水管路202的支管202b中的控制閥SV2、進水管路202’中的控制閥SV2’、第一回收管路204中的控制閥SV3及第二回收管路204’中的控制閥SV3’，並開啟進水管路202的主管202a的控制閥SV1及廢液管路208中的控制閥SV5，以及步驟(f)於進水管路202的主管202a通入原水306(如第4C圖所示)，且關閉電源供應器210-1及電源供應器210-2施加於第一離子回收單元104及脫鹽單元106的電壓，並關閉電源供應器210-3施加於第二離子回收單元104’的電壓，使第一選擇性吸附電極104a、第二選擇性吸附電極104a’及非選擇性吸附電極104b、104b’、106a及106b上的剩餘離子(例如，離子a +及離子C -等)脫附，並藉由廢液管路208收集經脫附的剩餘離子。
如第4C圖所示，於此階段中，原水306依序流經第一離子回收單元104、第二離子回收單元104’及脫鹽單元106。由於電源供應器210-1及電源供應器210-2已關閉施加於第一離子回收單元104及脫鹽單元106的電壓，且電源供應器210-3也已關閉施加於第二離子回收單元104’的電壓，原先吸附在第一選擇性吸附電極104a、第二選擇性吸附電極104a’、非選擇性吸附電極104b、104b’、106a及106b上的剩餘離子a +及剩餘離子C -會脫離電極表面，當原水306流經流道104c、104c’及流道106c時，剩餘離子a +及剩餘離子C -將一起被輸送至廢液儲存單元208U。
為了讓本揭露之上述及其它目的、特徵、及優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例、比較實施例、製備例及測試例，作詳細說明如下，然其並非用以限定本揭露之內容。 製備例：選擇性吸附電極及非選擇性吸附電極的製備
將碳黑(carbon black，CB)放入濃硝酸中(1 g CB/50 mL濃硝酸)進行酸化6小時，並加熱至65℃，完成酸化碳黑CBH6的製備。接著，以共沉澱法將層狀雙氫氧化物(LDHs)材料固定於酸化碳黑CBH6上，層狀雙氫氧化物選用鎂錳層狀雙氫氧化物(Mg-Mn LDH)，Mg:Mn莫耳比例為3:1，先配製0.09 M的MgCl 2與0.03 M的MnCl 2混合水溶液，然後配製0.6 M的NaOH與0.3 M的Na 2CO 3混合水溶液，並添加3 g的CBH6於此混合水溶液。緩慢將MgCl 2與MnCl 2水溶液滴加至NaOH與Na 2CO 3水溶液中，並持續攪拌24小時以完成晶核老化(aging)階段。合成產物以去離子水清洗至中性，接續以70℃烘乾後再以300℃空氣中鍛燒4小時，可得到產物CBH6/LDH。
分別使用CBH6/LDH以及活性碳製備選擇性吸附電極及非選擇性吸附電極。具體而言，將CBH6/LDH或活性碳活性材料、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)黏著劑、石墨(graphite)導電材依重量比80:10:10的比例混合後，添加N-甲基吡咯烷酮(methylpyrrolidone，NMP)溶劑，並均勻攪拌24小時使之成為糊狀漿料。接著，使用塗佈機，將糊狀漿料以塗佈間隙300 μm的刮刀均勻塗佈在厚度30 μm鈦箔上，於140℃烘箱中烘乾4小時，依照相同步驟將糊狀漿料塗佈於鈦箔的另一面，即完成雙面電極的製備，電極面積為15 cm*15 cm。 測試例 1 ： 水處理模組組裝及離子 ( 磷 ) 吸附與脫鹽試驗
將前述製備的CBH6/LDH電極與活性碳電極組裝為模組。模組前段為目標離子回收單元(例如，第一或第二離子回收單元)，由工作電極CBH6/LDH與對電極活性碳組成，後段則為脫鹽單元，工作電極與對電極均為活性碳，依設計的電極對數，將電極堆疊後即完成模組的組裝。
接著，進行批次式離子吸附與脫鹽試驗，原水使用10 mg/L的磷酸鹽(Na 2HPO 4)與100 mg/L的氯化鈉(NaCl)的混合溶液，以電壓1.2 V與電吸附時間30分鐘作為試驗操作條件，分別取樣前段目標離子回收單元的回收液與最後的出水(亦即，流經脫鹽單元的出水)。使用離子層析儀(廠商：DIONEX，型號：ICS-1000)分析回收液中的磷酸鹽含量，並計算磷酸鹽吸附效率。另一方面，使用導電度計測量出水的導電度，並藉由導電度的變化計算出脫鹽效率。 測試例 2 ： 水處理模組組裝及在不同操作流量下之離子吸附與脫鹽試驗
組裝包含8對電極(目標離子回收單元：5對CBH6/LDH-活性碳電極，脫鹽單元：3對活性碳-活性碳電極)的水處理模組，使用120 mL的原水(10 mg/L的Na 2HPO 4與100 mg/L的NaCl)及不同流量進行操作，觀察對磷酸鹽離子的吸附率、磷酸鹽離子選擇係數及脫鹽率的影響，結果如表1所示。
表1
目標離子回收單元 脫鹽單元
流量 (mL/min) 磷吸附率(%) 磷選擇性係數* HPO 4 2-/Cl - 流量 (mL/min) 脫鹽率(%)
30 40.0 136 80 87.8
80 59.0 149 80 70.4
*磷選擇性係數=HPO 4 2-濃度/Cl -濃度
如表1結果所示，對於10 mg/L的HPO 4 2-與100 mg/L的Cl -原水，當操作流量為30 mL/min及80 mL/min時，磷酸鹽離子的吸附率分別為40.0%及59.0%，對於磷酸鹽離子的選擇性係數則分別為136及149。由此可知，水處理裝置中採用較高的流量，對於磷酸鹽離子具有較高的吸附率與選擇性。這可能是因為在批次系統下，流量越高，原水流經電極的速度越快、次數也越多次，使得電極可吸附較多的磷酸鹽離子。
基於上述操作流量的測試，在水處理裝置後段脫鹽單元的部分均採用80 mL/min的流量進行操作，得到的脫鹽率分別為87.8%及70.4%。由於後段脫鹽程序會受到前段離子吸附程序的影響，前段對磷酸鹽離子的選擇性較好，代表水中殘留有較多的Cl -，而此現象將會影響後段的脫鹽率。 測試例 3 ： 在不同電極組成下之離子吸附與脫鹽試驗
將流量固定於80 mL/min，原水(10 mg/L的Na 2HPO 4與100 mg/L的NaCl)體積為200 mL，比較不同電極的配置對於前段磷酸鹽離子吸附效能的影響。對分別具有7對活性碳-活性碳電極以及7對CBH6/LDH-活性碳電極的兩種電極配置模組進行磷酸鹽離子吸附試驗，結果如表2所示。
表2
電極配置 吸附率(%) 磷選擇性係數*
HPO 4 2- Cl - HPO 4 2-/Cl -
7對活性碳-活性碳電極 92.0 94.0 7.32
7對CBH6/LDH-活性碳電極 90.0 9.18 843
*磷選擇性係數=HPO 4 2-濃度/Cl -濃度
如表2所示，採用7對活性碳-活性碳電極配置的模組以同時吸附HPO 4 2-與Cl -的情況下，兩者的吸附率雖皆為90%以上，但不具對於特定離子進行吸附的選擇性。相較於採用7對活性碳-活性碳電極配置的模組，採用7對CBH6/LDH-活性碳電極配置的模組的HPO 4 2-吸附率為90%，而Cl -吸附率僅9.18%，顯示CBH6/LDH電極對於磷酸鹽離子具有高度選擇性，且磷酸鹽離子的選擇性係數可高達843，約為採用7對活性碳-活性碳電極配置的模組的100倍。
再者，同樣將流量固定於80 mL/min，原水(10 mg/L的Na 2HPO 4與100 mg/L的NaCl)體積為200 mL，比較不同電極對數的配置對於後段脫鹽單元的效能影響。分別組裝具有5對、7對與9對的活性碳-活性碳電極模組，進行脫鹽試驗，結果如表3所示。
表3
目標離子回收單元 脫鹽單元
電極配置 磷吸附率(%) 磷選擇性係數* HPO 4 2-/Cl - 電極配置 脫鹽率(%)
7對CBH6/LDH-活性碳電極 90.0 843 5對活性碳-活性碳電極 54.8
7對活性碳-活性碳電極 70.4
9對活性碳-活性碳電極 82.1
*磷選擇性係數=HPO 4 2-濃度/Cl -濃度
如表3所示，隨著脫鹽單元的活性碳電極對數增加，脫鹽率也隨之增加。這是因為原水中含有的離子量相同，當使用越多對電極進行脫鹽時，可以吸附越多的離子，而使水體的導電度降至較低。例如，具有9對活性碳電極的模組可使原水的導電度從360.9 μS/cm降低至64.5 μS/cm，此時的脫鹽率可為82.1%。
此外，在目標離子回收單元具有7對CBH6/LDH-活性碳電極以及在脫鹽單元具有9對活性碳-活性碳電極的水處理模組(共16對電極)中，使用10 mg/L的HPO 4 2-與100 mg/L的Cl -的原水進行測試，得到的磷酸鹽離子吸附率為90.0%、脫鹽率為82.1%，且前段目標離子回收程序對於磷酸鹽離子具有高度選擇性，可同時達成目標離子的回收與脫鹽。 測試例 4 ： 逆滲透技術及電透析技術與 本揭露的 水處理裝置之效能比較
逆滲透技術(reverse osmosis)與電透析技術(electrodialysis)皆為目前水處理常用的技術，於此測試例中，使用200 mL的原水(10 mg/L的Na 2HPO 4與100 mg/L的NaCl)，比較使用本揭露實施例提供的水處理裝置(採用模組如下：目標離子回收單元為7對CBH6/LDH-活性碳電極；脫鹽單元為9對活性碳-活性碳電極)、逆滲透技術及電透析技術進行水處理的耗能量及水回收率，測量結果如表4所示。所述逆滲透技術是藉由施加壓力使水分子通過高分子薄膜進行脫鹽，而所述電透析技術是藉由電驅動與陰陽離子膜阻隔去除離子。
表4
方法 耗能(kWh/m 3) 水回收率(%)
逆滲透技術 1.5~1.85 30~50
電透析技術 1.1~1.35 50~70
本揭露實施例的水處理裝置 0.3~0.6 65~75
由表4的結果可知，相較於逆滲透技術及電透析技術對於原水進行脫鹽作用的耗能量，本揭露實施例提供的水處理裝置可降低大於50%的耗能。另一方面，相較於逆滲透技術及電透析技術的水回收率，本揭露實施例提供的水處理裝置亦可提升水回收率至約1.2~2.5倍。除此之外，逆滲透技術或電透析技術並無法針對特定的目標離子進行專一性回收，且容易產生薄膜積垢的問題，而本揭露實施例提供的水處理裝置可針對至少一種特定的目標離子進行專一性回收。
綜上所述，根據本揭露一些實施例，提供之水處理裝置及水處理方法可同步對水體進行目標離子的回收與脫鹽程序，且可於水處理裝置的上游對水體中的特定離子進行回收，並於下游去除水體中的鹽類，可有效簡化水處理及水回收再利用的程序。又，根據一些實施例，水處理裝置可同時針對多種目標離子進行回收，進一步提升水處理及水回收再利用的效率。
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露使用。因此，本揭露之保護範圍包括前述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:水處理裝置 20:水處理裝置 100:水處理模組 102:工作槽 104:第一離子回收單元 104’:第二離子回收單元 104a:第一選擇性吸附電極 104a’:第二選擇性吸附電極 106:脫鹽單元 104b、104b’、106a、106b:非選擇性吸附電極 104c、104c’、106c:流道 202、202’:進水管路 202a:主管 202b:支管 202U 1:供水單元 202U 2、202U 2’:脫附液供給單元 204:第一回收管路 204’:第二回收管路 204U:第一回收液儲存單元 204U’:第二回收液儲存單元 206:出水管路 206U:出水儲存單元 208:廢液管路 208U:廢液儲存單元 210-1、210-2、210-3:電源供應器 302、306:原水 304、304’:脫附液 A -、B -、a +、C -:離子 SV1、SV2、SV2’、SV3、SV3’、SV4、SV5:控制閥 W 1、W 2、W 3:寬度
第1圖顯示，根據本揭露一些實施例之水處理裝置的結構示意圖； 第2A~2C圖顯示，根據本揭露一些實施例之水處理裝置於不同操作階段的局部示意圖； 第3圖顯示，根據本揭露另一些實施例之水處理裝置的結構示意圖； 第4A~4C圖顯示，根據本揭露另一些實施例之水處理裝置於不同操作階段的局部示意圖。
10:水處理裝置
100:水處理模組
102:工作槽
104:第一離子回收單元
106:脫鹽單元
104a:第一選擇性吸附電極
104b、106a、106b:非選擇性吸附電極
104c、106c:流道
202:進水管路
202a:主管
202b:支管
202U1:供水單元
202U2:脫附液供給單元
204:第一回收管路
204U:第一回收液儲存單元
206:出水管路
206U:出水儲存單元
208:廢液管路
208U:廢液儲存單元
210-1、210-2:電源供應器
SV1、SV2、SV3、SV3’、SV4、SV5:控制閥
W1、W2:寬度

Claims (27)

  1. 一種水處理裝置，包括： 一水處理模組，包括： 一工作槽； 一第一離子回收單元，位於所述工作槽中，且所述第一離子回收單元包括至少一第一選擇性吸附電極及與所述第一選擇性吸附電極相對設置的至少一非選擇性吸附電極；以及 一脫鹽單元，位於所述工作槽中，其一端與所述第一離子回收單元連接，且所述脫鹽單元包括至少一對相對設置的非選擇性吸附電極； 一第一進水管路及一第一回收管路，與所述第一離子回收單元連接； 一出水管路及一廢液管路，與所述脫鹽單元連接； 複數個控制閥，分別設置於所述第一進水管路、所述第一回收管路、所述出水管路及所述廢液管路中；以及 複數個電源供應器，分別與所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元耦接。
  2. 如請求項1所述之水處理裝置，其中所述第一進水管路為一進水歧管，其包括一主管及一支管，所述主管與一供水單元連接，且所述支管與一第一脫附液供給單元連接。
  3. 如請求項1所述之水處理裝置，其中所述第一回收管路更與一第一回收液儲存單元連接。
  4. 如請求項1所述之水處理裝置，其中所述出水管路及所述廢液管路更分別與一出水儲存單元及一廢液儲存單元連接。
  5. 如請求項1所述之水處理裝置，其中所述非選擇性吸附電極包括碳電極，所述碳電極包括碳黑(carbon black)、活性碳(active carbon)、奈米碳管(carbon nanotube，CNT)、石墨烯(graphene)、竹碳(bamboo charcoal)、乙炔黑(acetylene black)或前述之組合。
  6. 如請求項1所述之水處理裝置，其中所述第一選擇性吸附電極為一複合材料，所述複合材料包括一碳材載體以及擔載於所述碳材載體上的一層狀雙氫氧化物(layered double hydroxides，LDHs)，且所述層狀雙氫氧化物的重量為所述複合材料的總重量之25%至65%。
  7. 如請求項6所述之水處理裝置，其中所述碳材載體包括碳黑、活性碳、奈米碳管、石墨烯、竹碳、乙炔黑或前述之組合。
  8. 如請求項1所述之水處理裝置，其中所述第一離子回收單元的所述第一選擇性吸附電極及與其相對設置的至少一非選擇性吸附電極之間具有一流道，所述脫鹽單元的所述相對設置的非選擇性吸附電極之間具有一流道，且所述第一離子回收單元的流道與所述脫鹽單元的流道相通。
  9. 如請求項1所述之水處理裝置，更包括一第二離子回收單元以及與所述第二離子回收單元連接的一第二回收管路，且所述第二離子回收單元位於所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元之間。
  10. 如請求項9所述之水處理裝置，其中所述第二離子回收單元包括至少一第二選擇性吸附電極及與所述第二選擇性吸附電極相對設置的至少一非選擇性吸附電極。
  11. 如請求項10所述之水處理裝置，其中所述第一選擇性吸附電極與所述第二選擇性吸附電極具有不同的離子專一性。
  12. 如請求項10所述之水處理裝置，其中所述第一離子回收單元的所述第一選擇性吸附電極及與其相對設置的至少一非選擇性吸附電極之間具有一流道，所述第二離子回收單元的所述第二選擇性吸附電極及與其相對設置的至少一非選擇性吸附電極之間具有一流道，所述脫鹽單元的所述相對設置的非選擇性吸附電極之間具有一流道，且所述第一離子回收單元的流道與所述脫鹽單元的流道相通，所述第二離子回收單元的流道與所述脫鹽單元的流道也相通。
  13. 如請求項9所述之水處理裝置，更包括一第二脫附液供給單元，與所述第二離子回收單元連接。
  14. 一種水處理方法，包括以下步驟： (a)提供如請求項1~8中任一項所述之水處理裝置； (b)藉由所述電源供應器分別施加一電壓於所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元，並開啟位於所述第一進水管路及所述出水管路中的控制閥，使一原水流入所述工作槽，以於所述第一離子回收單元中進行一第一離子的回收以及於所述脫鹽單元中進行脫鹽； (c)關閉所述出水管路中的控制閥，並開啟所述第一回收管路中的控制閥；以及 (d)於所述第一進水管路通入一第一脫附液，並藉由所述電源供應器施加一反向電壓於所述第一離子回收單元，使吸附於所述第一選擇性吸附電極上的所述第一離子脫附，並藉由所述第一回收管路回收所述第一離子。
  15. 如請求項14所述之水處理方法，其中(c)步驟更包括關閉所述第一進水管路的主管的控制閥，並開啟所述第一進水管路的支管中的控制閥，且(d)步驟更包括於所述第一進水管路的支管通入所述第一脫附液。
  16. 如請求項15所述之水處理方法，更包括： (e)關閉所述第一進水管路的支管及所述第一回收管路中的控制閥，並開啟所述第一進水管路的主管及所述廢液管路中的控制閥；以及 (f)於所述第一進水管路的主管通入一原水，且關閉施加於所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元的電壓，使所述第一選擇性吸附電極及所述非選擇性吸附電極上的剩餘離子脫附，並藉由所述廢液管路收集經脫附的剩餘離子。
  17. 如請求項14所述之水處理方法，其中所述原水依序流經所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元。
  18. 如請求項14所述之水處理方法，其中(d)步驟中所述回收的第一離子包括磷離子、砷離子、金離子、銦離子、銨離子或銅離子。
  19. 如請求項14所述之水處理方法，其中(b)步驟中施加於所述第一離子回收單元及所述脫鹽單元的所述電壓的範圍各為0.3V至2.0V。
  20. 如請求項14所述之水處理方法，其中(d)步驟中施加於所述第一離子回收單元的所述反向電壓的範圍為0.3V至2.0V。
  21. 如請求項14所述之水處理方法，其中所述水處理模組之整體導電度的範圍為20 μS/cm至2000 μS/cm。
  22. 如請求項14所述之水處理方法，其中所述原水藉由所述水處理方法所回收的所述第一離子濃度的範圍為1 mg/L至1000 mg/L。
  23. 一種水處理方法，包括以下步驟： (a)提供如請求項9~13中任一項所述之水處理裝置； (b)藉由所述電源供應器分別施加一電壓於所述第一離子回收單元、所述第二離子回收單元及所述脫鹽單元，並開啟位於所述第一進水管路及所述出水管路中的控制閥，使一原水流入所述工作槽，以分別於所述第一離子回收單元及所述第二離子回收單元中進行一第一離子及一第二離子的回收，以及於所述脫鹽單元中進行脫鹽； (c)關閉所述第一進水管路的主管及所述出水管路中的控制閥，並開啟所述第一進水管路的支管、所述第一回收管路及所述第二回收管路中的控制閥；以及 (d)於所述第一進水管路的支管通入一第一脫附液，並藉由所述電源供應器施加一反向電壓於所述第一離子回收單元及所述第二離子回收單元，使吸附於所述第一選擇性吸附電極及所述第二選擇性吸附電極上的所述第一離子及所述第二離子脫附，並藉由所述第一回收管路及所述第二回收管路回收所述第一離子及所述第二離子。
  24. 如請求項23所述之水處理方法，更包括： (e)關閉所述第一進水管路的支管、所述第一回收管路及所述第二回收管路中的控制閥，並開啟所述第一進水管路的主管及所述廢液管路中的控制閥；以及 (f)於所述第一進水管路的主管通入一原水，且關閉施加於所述第一離子回收單元、所述第二離子回收單元及所述脫鹽單元的電壓，使所述第一選擇性吸附電極、所述第二選擇性吸附電極及所述非選擇性吸附電極上的剩餘離子脫附，並藉由所述廢液管路收集經脫附的剩餘離子。
  25. 如請求項23所述之水處理方法，其中步驟(c)更包括開啟與所述第二脫附液供給單元連接的第二進水管路的控制閥，步驟(d)更包括於所述第二脫附液供給單元的第二進水管路通入一第二脫附液。
  26. 如請求項25所述之水處理方法，所述第一脫附液不同於所述第二脫附液。
  27. 如請求項24所述之水處理方法，其中步驟(e)更包括關閉所述第二進水管路中的控制閥。
TW109124712A 2020-07-22 2020-07-22 水處理裝置及水處理方法 TWI739524B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109124712A TWI739524B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 水處理裝置及水處理方法
CN202010856058.1A CN113968603A (zh) 2020-07-22 2020-08-24 水处理装置及水处理方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109124712A TWI739524B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 水處理裝置及水處理方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI739524B true TWI739524B (zh) 2021-09-11
TW202204268A TW202204268A (zh) 2022-02-01

Family

ID=78778128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109124712A TWI739524B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 水處理裝置及水處理方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113968603A (zh)
TW (1) TWI739524B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI327558B (en) * 2006-05-24 2010-07-21 Advanced Desalination Inc A total solution for water treatments
TW201302623A (zh) * 2011-05-16 2013-01-16 Omega Co Ltd 排水處理方法
TW201323342A (zh) * 2011-10-21 2013-06-16 Gen Electric 脫鹽系統及方法
TWI548595B (zh) * 2011-09-15 2016-09-11 栗田工業股份有限公司 水處理方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005219045A (ja) * 2004-01-09 2005-08-18 Air Water Inc 溶液の液質制御方法および装置
EP2689438B1 (en) * 2011-03-23 2022-11-16 Mespilus Inc. Polarized electrode for flow-through capacitive deionization
CN102807266B (zh) * 2011-05-31 2014-12-10 通用电气公司 超级电容脱盐单元、装置和方法
KR101621270B1 (ko) * 2012-03-29 2016-05-17 공주대학교 산학협력단 특정 이온 선택성 축전식 탈염 복합탄소전극의 제조방법
WO2014163094A1 (ja) * 2013-04-01 2014-10-09 三菱重工業株式会社 水処理システム
TWI547444B (zh) * 2013-12-19 2016-09-01 財團法人工業技術研究院 電極、具有該電極之裝置及電化學除磷之方法
EP3045431A1 (en) * 2015-01-16 2016-07-20 DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. Apparatus and method for continuous water desalination and ion separation by flow electrode capacitive deionization
EP3090988A3 (en) * 2015-05-04 2017-01-25 Doosan Heavy Industries & Construction Co., Ltd. Capacitive deionization apparatus
US10323331B2 (en) * 2016-12-29 2019-06-18 Industrial Technology Research Institute Valuable metal selectively adsorbing electrode and method for selectively recovering valuable metals
CN106630042A (zh) * 2017-01-17 2017-05-10 常州大学 一种电吸附去除水中铜离子的方法
CN108658179B (zh) * 2018-05-18 2021-05-11 同济大学 一种利用正反交替吸附实现脱盐的海水淡化装置及方法
US11739010B2 (en) * 2018-08-06 2023-08-29 William Marsh Rice University Electrodes for selective removal of multivalent ions through capacitive deionization
CN109205744A (zh) * 2018-11-19 2019-01-15 北京碧水源膜科技有限公司 一种低废水率的流动电极电吸附净水方法及净水机
CN109264831A (zh) * 2018-11-21 2019-01-25 江苏科技大学 不对称电容器脱盐装置及采用该装置进行脱盐的方法
CN109607710A (zh) * 2019-01-24 2019-04-12 天津大学 一种旋转式连续性电容去离子脱盐装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI327558B (en) * 2006-05-24 2010-07-21 Advanced Desalination Inc A total solution for water treatments
TW201302623A (zh) * 2011-05-16 2013-01-16 Omega Co Ltd 排水處理方法
TWI548595B (zh) * 2011-09-15 2016-09-11 栗田工業股份有限公司 水處理方法
TW201323342A (zh) * 2011-10-21 2013-06-16 Gen Electric 脫鹽系統及方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW202204268A (zh) 2022-02-01
CN113968603A (zh) 2022-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Heavy metal ion removal of wastewater by zeolite-imidazolate frameworks
Patel et al. The relative insignificance of advanced materials in enhancing the energy efficiency of desalination technologies
Dong et al. Selective removal of lead ions through capacitive deionization: Role of ion-exchange membrane
Al-Amshawee et al. Electrodialysis desalination for water and wastewater: A review
Zhao et al. Energy consumption in membrane capacitive deionization for different water recoveries and flow rates, and comparison with reverse osmosis
Fan et al. Capacitive deionization of arsenic-contaminated groundwater in a single-pass mode
CN104724798B (zh) 复合材料、电极及具有该电极的装置暨电化学除磷方法
Liu et al. Electro-enhanced removal of cobalt ions from aqueous solution by capacitive deionization
Jiang et al. Sustainable reverse osmosis, electrodialysis and bipolar membrane electrodialysis application for cold-rolling wastewater treatment in the steel industry
Kim et al. Application of poly (vinyl alcohol) and polysulfone based ionic exchange polymers to membrane capacitive deionization for the removal of mono-and divalent salts
US9725340B2 (en) Method of building massively-parallel ion concentration polarization separation device
Kim et al. Efficient recovery of nitrate from municipal wastewater via MCDI using anion-exchange polymer coated electrode embedded with nitrate selective resin
Chen et al. Design of self-cleaning molecularly imprinted membrane with antibacterial ability for high-selectively separation of ribavirin
Lee et al. Investigation of the performance determinants in the treatment of arsenic-contaminated water by continuous electrodeionization
US20140158539A1 (en) Active regeneration method for deionization module and water treatment apparatus using the same
Mao et al. Fractionation of mono-and divalent ions by capacitive deionization with nanofiltration membrane
Wang et al. Removal of low concentrations of nickel ions in electroplating wastewater using capacitive deionization technology
Maheshwari et al. Advances in capacitive deionization as an effective technique for reverse osmosis reject stream treatment
Cao et al. Electro-desalination: State-of-the-art and prospective
Kim et al. Effect of brine water on discharge of cations in membrane capacitive deionization and its implications on nitrogen recovery from wastewater
TWI739524B (zh) 水處理裝置及水處理方法
CN106000127A (zh) 一种含碳海水淡化膜及其制备方法和应用
Gaikwad et al. A review on recent contributions in the progress of membrane capacitive deionization for desalination and wastewater treatment
TW201934496A (zh) 兼具海／廢水脫鹽與殺菌之高效流動電容方法與裝置
CN206051733U (zh) 一种集成式造水机